[發明專利]一種反射式光纖溫度傳感器

無效

• 申請號: 201010211484.6
• 申請日: 2010-06-25
• 公開（公告）號: CN101881672A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發明（設計）人: 隋成華;夏娟;劉玉玲;徐天寧
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G02B5/04;G02B7/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及光纖傳感領域，尤其涉及一種反射式光纖溫度傳感器。

背景技術

光纖溫度傳感器在工業生產，航天等領域有著廣泛的應用前景。它的探頭和儀表分離，采用光纖作為光路，能在惡劣環境下進行非接觸式、非破壞性以及遠距離測量，增加了傳感器的環境適應能力，并利用了光纖本身具有的優點，如長距離低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、防水、防火、耐腐蝕、抗電磁干擾等。同時，它還便于與計算機相連，實現智能化和遠距離監控，不少情況下能夠完成傳統傳感器很難完成甚至不能完成的任務。

目前已出現多種光纖溫度傳感器。例如輻射型光纖溫度傳感器，其理論依據是普朗克輻射定律，它對高溫物體具有很高的靈敏度，但無法應用于低溫區域；熒光測溫型光纖溫度傳感器，它利用熒光壽命與溫度對應關系來測量溫度，但只適用于低溫區；吸收式溫度傳感器，它利用半導體晶體薄片(如砷化鎵等)吸收光譜的溫變特性制成，該種傳感器存在著結構復雜、制作成本較高，且測溫范圍相對較窄的不足。這些傳感器的測溫系統大多采用光強調制的方式，光源和光探測器性能的穩定和光纖耦合效率變動對這些系統測量精度影響非常大。

中國專利CN101598609A公開了一種光纖溫度傳感器，在藍寶石光纖的端面上蒸鍍一層ZnO薄膜作為溫度敏感元件，其測溫范圍為10～1000K。但是這種光纖溫度傳感器在實際測溫時需要和普通石英光纖耦合，不可避免地存在多處端面損耗從而降低了總耦合效率。此外該光纖溫度傳感器由于采用了透射式光路，在實際測量中，光源和光探測裝置必須分置在傳感器的兩端，這種檢測光路的配置方式在多數測試環境下難以實現，不利于做成可隨意安插于所需測溫環境中的便攜式產品。

發明內容

本發明針對傳統光纖溫度傳感器的上述缺點，提供了一種集高溫和低溫測試功能為一體的反射式光纖溫度傳感器。

一種反射式光纖溫度傳感器，包括套管、位于套管一端的藍寶石等腰直角三棱鏡和位于套管另一端的凸透鏡，所述的藍寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面朝向套管的內側，藍寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面上設有ZnO薄膜；凸透鏡相對于藍寶石等腰直角三棱鏡的另一側設有用于傳輸光線的光纖，光纖的端面與凸透鏡的距離為凸透鏡的焦距，光纖的端面位于凸透鏡的焦點處；

所述的凸透鏡的光軸垂直于藍寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面，凸透鏡的光軸與藍寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面的交點大致位于藍寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面的中心；藍寶石等腰直角三棱鏡熔點為2318K，ZnO薄膜的熔點為2248K，使得該反射式光纖溫度傳感器的測溫范圍為10～1800K(-263～1527℃)，可以滿足一般實際工況下高、低溫測量要求。

所述的藍寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面的晶軸取向為(0001)，由于(0001)晶向的藍寶石(Al₂O₃)具有與ZnO相同的六方纖鋅礦晶體結構，與ZnO熱匹配相對較好，作為生長基底容易得到大尺寸、高質量的ZnO薄膜。

優選的，所述的套管和凸透鏡均為藍寶石材質，由于藍寶石和ZnO一樣具有耐高溫和化學性能穩定等優點，在經過高、低溫前后光譜曲線幾乎沒有任何變化。此外，藍寶石的光學吸收邊在可見波段，ZnO薄膜的光學吸收邊在紫外(360-380nm)波段，兩者不會相互影響，可有效地減小損耗，提高測量精度。

實際測量時，凸透鏡一側的光纖連接光源和光線探測裝置、數據采集分析裝置，由于光纖的直徑相對于凸透鏡的表面積很小，對于凸透鏡，光纖的端面可以等效為一個點光源。由于光纖的端面與凸透鏡的距離為凸透鏡的焦距，并位于凸透鏡的焦點處，光纖端面發出的光線經凸透鏡后，變成與凸透鏡的光軸相平行的光線，并垂直于藍寶石等腰直角三棱鏡的斜邊面入射。由于藍寶石的折射率為1.762～1.770，其臨界角為34.4～34.6°，進入藍寶石等腰直角三棱鏡對兩個直角邊面的入射角均為45°，超過了藍寶石的臨界角，而在兩個直角邊面都會發生全反射。在兩個直角邊面發生全發射后，以平行光的形式垂直于斜邊面出射，經凸透鏡的匯聚作用，匯聚到凸透鏡焦點處的光纖端面，并由數據采集裝置接收。

本發明采用三棱鏡改變光路的原理，將經ZnO薄膜吸收后的透射光轉換至跟入射光在傳感器的同一側，使得光源和光線探測裝置均可設置于傳感器的同側，有利于在一些特殊的測溫場合(如對液面、地表溫度的檢測)安置檢測光路。同時采用三棱鏡、凸透鏡、位于凸透鏡焦點的光纖端面相配合的結構不僅有效降低了入射光的發散損耗，提高了光源利用率，且易于做成便攜式微型化產品，只要配合適當的光源及光譜儀即可置于各種環境場合中進行溫度測量。